Proporcional, Integral e Derivativo
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- Bárbara Caminha Carneiro
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1 Implemenação de um conrolador do ipo Proporcional, Inegral e Derivaivo num auómao programável e(k) PID u(k) U s min U s max u s ( pv( Moor ario velocidade Auomao programável Processo Aluno: José Lucas Nº 1447/M Em análise PID Em análise Conrolo de posição e velocidade de um moor de correne conínua (DC); Topologia e caracerísicas de funcionameno de um PID; Como sinonizar os parâmeros de um PID sem ser necessário conhecer o processo; Como implemenar ese conrolador num sisema digial do ipo auómao programável (PLC); Como resolver o problema associado à sauração do andar de saída do conrolador (aniwindup); Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. José Lucas 2 1
2 Conrolo de posição de um Moor DC Em cadeia abera Não é esável; O erro cresce quando cresce; e( Moor Moor ario ario y( y( u( u( 0 0 Moor DC y( e( y( e( Um sisema dese ipo não necessia de energia depois de aingir a posição desejada. Nesa opologia esáse sempre a fornecer energia independenemene da posição. Em cadeia fechada É esável com erro=0; O erro decresce para zero quando cresce; Quando é aingida a posição desejada e(=0 já não é fornecida energia ao moor; O sisema é esável quer a variações da erência, quer a perurbações, por ex: variação do ario. José Lucas 3 Moor DC Conrolo de velocidade de um Moor DC Em cadeia abera É esável com erro <> 0; Temse sempre e( > 0; Um sisema dese ipo necessia sempre de energia para maner uma deerminada velocidade. Em cadeia fechada e( Moor É esável com erro <> 0; Temse sempre e( > 0 mesmo para K s elevados; Um sisema dese ipo não pode ser conrolado apenas com a realimenação de um ganho; u( K Moor ario ario y( y( u( u( 0 0 y( e( y( e( u(=k.e( José Lucas 4 2
3 Modelo PID Modelo geral de um PID K consane proporcional T i Tempo inegral T d Tempo derivaivo 1 d u( = K e( e( d Td e( Ti d Ou d u( = Ke( K i e( d K d e( d K p = K componene proporcional K i = K/T i componene inegral K d = K.T d componene derivaiva José Lucas 5 Topologia paralela do PID Esa opologia permie visualizar melhor a conribuição de cada componene do PID Caracerísicas do PID e( Topologia PID Conrolador P (K i = K d = 0) Usado quando se pode aplicar ganhos elevados ao processo. Usado quando não é imporane erse um pequeno erro ex: conrolo de velocidade do moor. Usado quando o sisema em um unidade de armazenameno de energia. Ex: conrolo de posição de um moor. Se o sisema for suficienemene rápido não é necessário o modo derivaivo. K i 0 K p e( d d K d e( d u p ( u i ( u d ( u pid ( y ( José Lucas 6 3
4 Caracerísicas do PID (coninuação) Conrolador PD (K i = 0) Por derivar o erro o seu efeio é o de anecipar as variações da variável do processo (pv(); Usado, por exemplo, quando é necessário acompanhar variações bruscas do sinal de erência (seguimeno) ; Usado para anecipar as oscilações de sisemas lenos devidas aos elemenos de armazenameno de energia. Conrolador PI (K d = 0) Caracerísicas PID Ese conrolador, por inegrar o erro, em em cada insane memorizado o somaório do erro acumulado, i.é., mesmo que num dado insane se enha: k e( k ) = 0 pode erse upi ( = Ki e( d 0 o que permie eliminar o erro (rese. 0 José Lucas 7 Caracerísicas do PID (coninuação) Caracerísicas PID Conrolador PI (coninuação) Funciona como mais um elemeno de energia no processo. É o conrolador mais usado na indusria: Usado onde não é exigido rapidez; Usado quando esão presenes grandes perurbações e ruído; Usado quando apenas há um elemeno de armazenameno de energia no processo; Conrolador PID A componene derivaiva melhora a esabilidade do sisema e dese modo permie aumenar o ganho proporcional e diminuir o empo de inegração T i o que aumena a rapidez do conrolador. Usado em sisemas com mais de um elemeno de armazenameno de energia. José Lucas 8 4
5 Sinonia dos parâmeros de um PID Sinonia PID São méodos experimenais que permiem idenificar algumas caracerísicas do processo necessárias para o cálculo dos parâmeros do PID. Podem ser aplicados quando se conhece o modelo maemáico do processo e mesmo quando não se conhece esse modelo. Os parâmero obidos desa forma são sempre uma primeira sinonia que deve ser afinada poseriormene com um melhor conhecimeno do processo. Méodos mais usados ZieglerNichols CohenCoon ChienHronesReswick José Lucas 9 Sinonia PID Sinonia dos parâmeros de um PID (coninuação) Méodo de ZieglerNichols: em cadeia abera Opimiza a sinoniza dos PID s para reagir a perurbações e não a seguimeno. u( u( Pressupõe que o processo seja esável em cadeia abera com uma função de ransferência do ipo: K P τs GP ( s) = e 1 st Deve ser aplicado para 0.1< τ/t p <1. Para τ/t p < 0.1 deve ser usado um conrolador de ordem superior. Para τ/t p > 1 devem ser usados conroladores que enham em cona sisemas com grande araso. p y( y( a τ T P R y K P = u a y R = = τ T P José Lucas 10 5
6 Sinonia PID Sinonia dos parâmeros de um PID (coninuação) Méodo de ZieglerNichols: Em cadeia fechada Não pressupõe nenhum modelo do processo; Consise em aumenar o ganho aé o sisema enrar em oscilação. Nese pono medese o ganho críico K C e o período das oscilações T C ; Deve ser aplicado quando 2 < K P K C < 20 sendo K P = y/ u. Se 1,5 < K P K C < 2 pode ser usado um conrolador PID se as expecificações não forem muio exigenes. Se K P K C < 1,5 pode ser usado um conrolador PI se as expecificações não forem muio exigenes; Para inervalos diferenes de K P K C recomendase: se K P K C < 2 deve ser usado ouro conrolador que enha em cona arasos do sisema; se K P K C > 20 devem ser usados conroladores com algorimos mais complexos; José Lucas 11 Sinonia PID Sinonia dos parâmeros de um PID (coninuação) As abelas abaixo mosram as formulas para o cálculo dos parâmeros do PID de acordo com as recomendações de Ziegler Nichols para os diferenes méodos de sinonia. ZieglerNichols: cadeia abera Conrolador K T i T d P 1/a PI 0.9/a 3τ PID paralelo 1.2/a 2τ τ/2 PID Serie 0.6/a τ τ ZieglerNichols: Conrolador K P 0.5 K c PI 0.45 K c PID paralelo 0.6 K c PID Serie 0.6 K c cadeia fechada T i T d T c 0.5 T c T c 6 / T c 1/ T c O PID Série é o caso em que o ermo diferêncial esá em série com ermo inegral, i.é., o ermo diferêncial é ambém inegrado. É aqui apresenado apenas como informação. José Lucas 12 6
7 Como implemenar um PID num sisema digial Digial PID Projecando de raiz o conrolador em ermos discreos; Usando écnicas de discreização do modelo conínuo desses conroladores: ese méodo permie irar parido de odo o conhecimeno já adquirido dos modelos conínuos nomeadamene do PID e dos seus parâmeros obidos por sinonia. Méodos de discreização: backward difference equaion Euler (forward difference equaion) Tusin (bilinear ransformaion) Forward differences z 1 s = Backward differences A figura ilusra, para cada um dos méodos, o mapeameno da região de esabilidade no plano conínuo, SPCE, no plano discreo, planoz. T a z 1 s = T z a Tusin 2 z 1 s = T z 1 a José Lucas 13 Como implemenar um PID num sisema digial (con.) Méodo backward differenial equaion d x( k) x( k 1 ) Digial PID Nese méodo, considerase x( k) em que T a é o d T a período de amosragem. Esa aproximação é válida para frequências baixas pois como se pode ver na figura, o circulo ransformado afasase do circulo uniário quando a frequência aumena; Aplicando esa aproximação à equação do PID, e alguma manipulação algébrica, obémse: T a T D T D TD u( k) = u( k 1) K 1 e( k) 1 2 e( k 1) e( k 2) TI Ta Ta Ta José Lucas 14 7
8 Sauração PID Sauração do andar de saída do conrolador (windup) e( PID u( U s max U s min u s ( Problemas Degrada a performance do PID devido ao ermo inegral permiir u( >>U max o que orna o reorno a u( <=U max mais demorado; Em compuação digial pode conduzir a problemas de overflow da saída u(; Resolver o problema alerando o conrolador perdese a simplicidade inerene aos PID s; José Lucas 15 Saurção PID Sauração do andar de saída do conrolador (windup) Soluções Fazse a sinonia do PID sem er em cona a sauração e depois aplicase um compensador (aniwindup) para não degradar a performance do PID: Dois ipos de compensador: Inegração condicional em deerminadas condições o valor do ermo inegral não é alerado; backcalculaion a diferença enre a enrada e a saída da sauração é realimenada para o ermo inegral. Exemplo PI conínuo e( i 0 K e( d K u( U s min U s max u s ( Exemplo PI Discreo u k1 = u k T a K i e k ; Se (u k1 > u max ) u k1 = u max ; Se (u k1 < u min ) u k1 = u min ; José Lucas 16 8
9 Como implemenar o PID num auómao Auómao PID Usar um dos méodos de sinonia para ober os parâmeros do PID, i.é., K, T I e T D. Configurar um eveno com prioridade superior ao ciclo de scan de modo a que seja execuado em inervalos bem definidos. Esse inervalo será o período de amosragem T a. Mapear consanes auxiliares: Kerr=K(1T a /T I T D /T a ); Kerr_1=K(1 2T D /T a ) e Kerr_2=KT D /T a. Mapear variáveis auxiliares: uk=u(k), uk_1=u(k1), err=e(k), err_1=e(k1) e err_2=e(k2); Verificar os inervalos de funcionameno das caras analógicas, nomeadamene Q max e Q min. Implemenar compensação aniwindup com inegração condicional: enre ouras, evia o overflow do regiso uk do auómao. José Lucas 17 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Sinonia de τ José Lucas 18 9
10 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Sinonia de T P e y/ u José Lucas 19 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Cálculo dos parâmeros do PID Valores ZieglerNichols: cadeia abera Medidos Usados Conrolador K Ti Td τ(ms) 0, ,0908 P 4, Tp (s) 1,14 1,14 PI 0, ,2724 y (V) 2,98 2,98 PID Paral. 0, ,1816 0,0454 u (V) 1,28 1,28 PID Série 2, ,0908 0,0908 a 0, , Cálculo das consanes auxiliares Consanes auxiliares PID Paralelo Ta 0,2 Kerr = K(1Ta/TI TD/Ta ) 0,66263 Kerr_1 = K(1 2TD/Ta) Kerr_2 = KTD/Ta 0, , José Lucas 20 10
11 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Programação consanes José Lucas 21 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Programação conversão de dados José Lucas 22 11
12 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Programação ermos do PID José Lucas 23 Exemplo de aplicação: conrolo de velocidade de um moor DC com um auómao S7 224 da Siemens. Programação aniwindup José Lucas 24 12
13 Bibliografia Digial Conrol of Dynamic Sisems Franklin, Powell, Workman Adison Wesley PID conrollers: heory, design and Tuning K. Asröm ISA Press Compuer Conrol: An Overview B. Wienmark, K. Asröm, Arzén IFAC Professional Brief Modified aniwindup scheme for PID conrollers A. Visioli IEE Proceedings online no Manual de erência do auómao S7 200 da Siemens José Lucas 25 13
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